“DESARROLLO DE UN MÉTODO PARA MONITOREO AMBULATORIO DE PICOS DE PRESIÓN EN EL PIE INSENSIBLE Y DE ALERTA AL

PACIENTE CON MIRAS A LA PREVENCIÓN DE ULCERAS PLANTARES”.

RAFAEL HERNAN POLANIA JIMENEZ ALI AHMED EGEL ZUÑIGA

DOCUMENTO TESIS DE PREGRADO

UNIVERSIDAD DE LOS ANDES

INGENIERIA ELECTRONICA

ASESORES

ANTONIO GRACIA ROZO

JORGE HUMBERTO TORRES

BOGOTÁ, JUNIO 23 DE 2005

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TABLA DE CONTENIDO

Página INTRODUCCION ………………………………………………………………………………………3 OBJETIVOS……………………………………………………………………………………………...4 1. DESCRIPCION Y CARACTERISTICAS…………………………………………………………. 5 2. DISEÑO DEL DISPOSITIVO………………………………………………………………………. 6 2.1. MODULO DE SENSOR 2.1.1 Elección del sensor……………………………………………………………………………… 6 2.1.2 Caracterización…………………………………………………………………………………. 7 2.1.3. Adecuación de Señal…………………………………………………………………………… 26 2.2 MÓDULO DE ADQUISICIÓN Y TRANSMISIÓN 2.2.1 Adquisición…………………………………………………………………………………….. 29 2.2.2 Comunicaciones ……………………………………………………………………………….. 32 2.2.3 Consumo de los Dispositivos y Baterías……………………………………………………….. 40 2.2.4 Control…………………………………………………………………………………………... 43 2.2.5 Esquemático del Circuito de la Plantilla……………………………………………………… 45 2.3. MÓDULO DE RECEPCIÓN, ALMACENAMIENTO Y ALERTA AL PACIENTE.……… 48 2.4. MÓDULO DE VISUALIZACIÓN DE DATOS DE PRESIÓN……………………………….. 59

3. COSTOS DE PROTOTIPO CON COMUNICACIÓN INALÁMBRICA………………………. 60

4. CONCLUSIONES…………………………………………………………………………………… 61

5. PERSPECTIVAS…………………………………………………………………………………….. 62 6. BIBLIOGRAFIA…………………………………………………………………………………….. 63

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INTRODUCCION En el área de bioingeniería es muy importante la manera como se lleva a cabo la captura, almacenamiento y visualización de datos adquiridos por medio de sensores. Existen situaciones en las cuales se presentan restricciones bastante fuertes en cuanto a tamaño, costo, consumo de potencia y geometría de los dispositivos electrónicos. Por esta razón surge la necesidad de diseñar los sistemas tanto de captura como de almacenamiento de la manera más óptima posible, con el objetivo de cumplir con las restricciones de diseño que se tienen. Este proyecto está motivado por la necesidad que se tiene de monitorear las zonas más críticas de la planta del pie en pacientes que sufren de pie insensible, con el objetivo de detectar picos de presión anormales, y poder diseñar en un futuro plantillas que alerten al paciente y a su médico acerca de la ocurrencia de presiones anormales. Uno de los grandes problemas que afrontan los pacientes con plantas insensibles, particularmente pacientes diabéticos, es la aparición de úlceras plantares que son de difícil curación y que frecuentemente progresan hasta comprometer estructuras profundas. Eventualmente pueden presentarse infecciones severas e incluso gangrena que requiere amputación de una parte del miembro inferior. En la literatura médica se describe que un cuidado apropiado del pie diabético puede reducir el riesgo de úlceras plantares en estos pacientes, y dentro de este cuidado es esencial mantener las presiones plantares por debajo de niveles peligrosos para los tejidos.

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OBJETIVOS. El objetivo general del presente proyecto consiste en diseñar un sistema de captura y almacenamiento de señales de presión provenientes de sensores ubicados estratégicamente en la planta del pie, al igual que una interfaz software para poder visualizar las señales capturadas, desarrollado a bajo costo, y buscando ocasionarle la menor molestia posible al usuario permitiéndole la mayor flexibilidad posible de movimiento. Los objetivos específicos del presente proyecto son los siguientes:

Diseño, desarrollo e implementación a bajo costo de un sistema de adquisición y monitoreo de picos de presión plantar (SAMP3).

Desarrollo de software para visualización y análisis de presión.

Desarrollo de un sistema de telemetría para comunicación de las plantillas con

un dispositivo de almacenamiento ubicado en la cintura.

Desarrollo de un sistema de calibración de los sensores de presión.

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1. DESCRIPCION Y CARACTERISTICAS El sistema desarrollado consiste básicamente de dieciséis sensores de efecto piezoresistivo, ocho en cada planta del pie, ubicados en zonas estratégicas definidas por especialistas en pie insensible (Figura 1), la linealización de las señales de resistencia obtenida en los sensores (que varia de forma inversamente proporcional con la presión aplicada) para obtener señales de voltaje análogo que varíen lo mas linealmente posible con la presión aplicada en los sensores (Figura 2), un modulo donde se lleva a cabo el muestreo y posterior digitalización, tratamiento y transmisión inalámbrica de estas señales de voltaje análogo a otro módulo ubicado en un sitio flexible (que puede ser la cintura del paciente) donde la información recolectada es almacenada de forma masiva en memoria flash no volátil, con interfaz con un PC donde por medio de software se puede descargar y visualizar la información recolectada, al igual que hacer visualización en tiempo real.

Sensores y adecuacion

Adquisición y transmisión

Recepción, almacenamiento y alerta

Visualización

Figura 1. Descripción general del sistema.

Las características generales que tiene este sistema implementado son las siguientes:

1. Es un sistema de adquisición de datos desarrollado a bajo costo, lo que permite llegar a un gran número de usuarios potenciales que presentan problemas de pie insensible.

2. La captura y almacenamiento de datos están separados físicamente, y comunicados de manera inalámbrica, lo que permite una gran flexibilidad en el tratamiento de la información recolectada sin causarle inconvenientes al paciente.

3. Dos módulos completamente independientes de captura de datos ubicados en cada pie, que transmiten la información al modulo central en dos bandas de frecuencia distintas. En cada modulo se muestrean ocho sensores a una tasa de 25 Hz.

4. El almacenamiento de los datos recolectados se lleva a cabo en memoria flash por necesidades de rapidez en la escritura.

5. Posibilidad de hacer tanto visualización en tiempo real como descarga en un computador de los datos que están siendo adquiridos y almacenados, así como visualización de los datos que han sido descargados del modulo de central de almacenamiento.

6. Interfaz entre el sistema y un PC por medio del puerto USB, controlando la comunicación entre estos por medio de software.

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2. DISEÑO DEL DISPOSITIVO

El primer objetivo del proyecto se centro en hacer una descripción funcional del sistema que se iba a implementar, con la intención de definir claramente desde un principio el camino que se llevaría a cabo a lo largo del desarrollo, minimizando la posibilidad de tener que volver a un paso anterior en el diseño para tener que realizar cambios, producto de una mala planeación del trabajo, con la filosofía de que entre mas avanzada sea la etapa en la que nos encontremos, mas costoso es llevar a cabo una corrección del sistema. Esta fue la etapa más larga del diseño, debido a que fue necesario establecer claramente el problema que queríamos tratar, y lograr una descripción funcional del dispositivo independiente de su implementación física. Fue necesario recurrir a diagramas de estados y control, que posteriormente fueron validados por medio de simulaciones en lenguaje VHDL, y diagramas de flujo de datos, para dejar claro el camino que toma la información en el sistema. 2.1. MODULO DE SENSOR 2.1.1 Elección del sensor La elección del tipo de sensor es producto de un trabajo de investigación por parte de Beckenbauer Moreno en su tesis de Maestría en Ingeniería electrónica en la Universidad de los Andes, donde se investigaron una gran variedad de sensores de presión[1]. Básicamente, para elegir el tipo de sensor a usar se tuvo en cuenta que los sensores piezoresistivos requieren una electrónica bastante sencilla y de bajo costo ya que las variaciones de resistencia son bastante grandes, del orden de 20 Kohmios a 200 Kohmios. Asimismo estos sensores tienen baja sensibilidad a interferencia electromagnética lo cual constituye una gran ventaja. El principio de medición de presion de estos sensores se basa en el cambio de resistencia de una capa de material piezoresistivo especializado cuando se aplica presión. El sensor que se eligió fue un Sensor de Resistencias Sensibles a Fuerzas (FSR) FlexiForce de la compañía Tekscan®, de 25 lbs, de efecto piezoresistivo.

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Figura 2. Sensor de presión FlexiForce de la compañía Tekscan®

2.1.2 Caracterización Sistema de Calibración Neumático

• Descripción Funcional Con el fin de caracterizar dinámicamente – respuesta en tiempo – el sensor de presión tipo FSR escogido, se implementó el sistema de calibración neumático mostrado en la figura 3. Los principales componentes usados para implementar este sistema son los siguientes: - Cilindro de doble efecto de la compañía Festo® - Transductor de presión neumático TX-35D0-100 marca Omega Dyne Inc. - Electro-válvula de la compañía Norgren® - Circuito de Control para la electro-válvula - Circuito de adecuación de señal para el sensor de presión tipo FSR (adecuación de señal

1) - Circuito de adecuación de señal para el transductor de presión neumático (adecuación

de señal 2) - Sistema de adquisición National Instruments®

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Aire Calibrado

Computadora

Figura 3. Sistema de calibración neumático

El funcionamiento del sistema neumático se puede describir en varios pasos; primero la línea de aire proveniente del compresor se regula en magnitud o intensidad mediante un manómetro que opera en el rango de 0 a 100 Psi. Posteriormente la línea de aire regulada llega a una electro-válvula de acción magnética la cual genera el ciclo (periodo) de actuación con el cual el cilindro de doble efecto (vástago) golpea al sensor FSR. Es decir la electro-válvula regula la frecuencia de la línea de aire, de tal manera que la señal de presión que llega al cilindro de doble efecto esta controlada en magnitud y en tiempo, lo que implica a su vez que la fuerza con la que el vástago del cilindro de doble efecto golpea al sensor a calibrar también esta controlada en magnitud y en tiempo (frecuencia). Por otra parte, el transductor de presión neumático provee la señal que sirve como referencia en la generación de las curvas de calibración. Finalmente las señales del transductor presión y del sensor FSR llegan a un sistema de adquisición de datos después de haber pasado cada una respectivamente por una etapa de adecuación de señal. El computador conectado a la tarjeta de adquisición de datos almacena los datos capturados por dicha tarjeta. Las siguientes figuras muestran distintas fotografías del montaje físico final del sistema de calibración neumático descrito.

Regulador (0 - 100 PSI)

Circuito de Control

Transductor de Presión NeumáticoLínea

de Aire

Sistema de Adquisición (National

Instruments)

Sensor de Presión (FSR)

Datos

Vástago

Cilindro de Doble efecto

Electro-Válvula

Adecuación de Señal 2

TP

Línea de Aire Regulada en Magnitud

Línea de Aire Regulada en Magnitud

y Frecuencia

Adecuación de Señal 1

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Figura 4. Montaje físico del sistema de calibración neumático (vista lateral)

Figura 5. Montaje físico del sistema de calibración neumático (vista frontal)

Figura 6. Detalle regulador de la línea de aire

• Componentes del Sistema de Calibración

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- Cilindro de doble efecto: La función del cilindro es excitar al sensor FSR con el vástago mediante una fuerza (presión) controlada a través la presión neumática de entrada (Pin). En este caso el cilindro posee un sistema de actuación de doble efecto es decir de empuje y sujeción (ver figura 7).

Figura 7. Cilindro de doble efecto La tabla 1 muestra las características técnicas del cilindro estándar DSNU-12-PA (14324) de Festo® escogido. Básicamente se escogió este modelo por el rango de presiones en que trabaja 1 a 10 Bares (14.5 a 145 PSI) como se discutirá más adelante esto significa una fuerza aplicada al sensor de 11.3 a 113.0 Newtons lo que genera el rango de presiones indicadas para el intervalo de presiones de operación del sensor de presión FSR. La figura 8 muestra el detalle del montaje del cilindro de doble efecto en el sistema de calibración neumático. Este montaje se realizó de forma que fuese lo más compacto y rígido posible para lograr así la mayor repetibilidad posible.

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Característica Valor

Stroke 10 - 200 mm .

Piston diameter 12 mm .

Piston rod thread M6 .

CushioningPneumatic cushioning, adjustable

at both ends (PPV)Assembly position Any

Conforms to standard ISO 6432 .

Piston-rod end Male thread .

Design structure Piston, Piston rod .

Variants Single-ended piston rod .

Operating pressure 1 - 10 bar .

Mode of operation double-acting .

Operating mediumDried compressed air, lubricated

or unlubricatedCorrosion resistance classification CRC 2 .

Ambient temperature -20 - 80 °C .

Impact energy in end positions 0.07 J .

Theoretical force at 6 bar, return stroke 50.9 N .

Theoretical force at 6 bar, advance stroke 67.9 N .

Moving mass with 0 mm stroke 18.5 g .

Additional weight per 10 mm stroke 4 g .

Basic weight for 0 mm stroke 75 g .

Additional mass factor per 10 mm of stroke 2 g .

Tabla 1 Características cilindro DSNU-12-PA1

Figura 8. Detalle montaje del cilindro - Electro-Válvula y Circuito de Control: El circuito de control de la electro-válvula tiene como objetivo generar una señal cuadrada que controla la frecuencia con la cual el flujo de aire llega al cilindro de doble efecto y por ende la frecuencia con la cual el vástago golpea al sensor.

1 Tomado de la pagina web: http://catalog.festo.com

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Esencialmente, la función del circuito es acoplar la señal proveniente de un generador de señales electrónico al circuito de entrada de la electro-válvula (relevos o bobinas de actuación). Las siguientes figuras muestran respectivamente el diagrama esquemático del circuito control y los planos eléctricos del circuito impreso fabricado para montar el control.

Figura 9. Esquemático del circuito de control de la electro-válvula

Figura 10. Planos eléctricos del circuito impreso Por último se muestra el detalle de la integración de la electro-válvula al sistema de calibración neumático.

Figura 11. Conexión de la electro-válvula

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- Transductor de Presión Neumático: Con el fin de tener una referencia confiable de la señal presión de entrada al cilindro de doble efecto (Pin) se usó el transductor PX35D0-100GV de la compañía Omega Dyne Inc. mostrado a continuación.

Modelo PX35D0-100GV

Figura 12. Sensor de Presión Neumático 2 Adicionalmente la siguiente tabla muestra los parámetros de desempeño más relevantes del transductor.

Caracteristica Valor

Balance -0.212 mVdc

Sensitividad 29.907 mVdc

Rango 0 a 100 PSIG

Resistencia de entrada 533.3 Ohms

Resistencia de salida 380.3 Ohms

Tabla 2. Características del transductor de presión PX35D0-100GV De igual forma, la figura 13 enseña la conexión del transductor al sistema en general.

Figura 13. Detalle de la conexión física del Transductor de Presión

2 Tomado de http://www.omegadyne.com/

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- Adecuación de Señal 1: Dado que la señal que entrega el sensor de presión FSR es una señal de resistencia, se debe usar el tipo de instrumentación especificado para este tipo de sensores (ver sección calibración de sensores), de esta forma la señal de resistencia pasa a ser una señal de voltaje que se encuentra en el rango indicado para ser digitalizada por el sistema de adquisición de datos. - Adecuación de Señal 2: Ya que la resolución del transductor de presión neumático posee una resolución de aproximadamente 30 milivoltios por PSI, se debe realizar un ajuste de ganancia a la señal proveniente de este sensor antes de digitalizarla. La implementación del circuito de ajuste de ganancia o amplificación se realizó mediante el amplificador de instrumentación INA128P de la compañía Burr-Brown®. Este amplificador resulta adecuado particularmente por sus características de relación señal a ruido, impedancia de entrada, impedancia de salida y ganancia. La siguiente figura muestra el diagrama esquemático de la amplificación realizada.

Figura 14. Amplificación de la señal de presión del transductor de presión neumático3

El valor de la ganancia de voltaje G se calculó así; la ganancia definida en términos del de la resistencia Rg es: G = 1 + 50K/Rg Particularmente se escoge una resistencia Rg igual a 150 Ohmios que produce en un valor de ganancia de aproximadamente 334.333 [V/V], este valor conlleva a niveles de voltaje adecuados para digitalizar la señal de voltaje de salida. Realizando las conversiones de unidades correspondientes se puede llegar a las siguientes relaciones entre el voltaje medido y la presión de entrada al cilindro de doble efecto. Vmed [mV] = G[V/V]*Vsens [mVdc] = (1 + 50K/150)*Vsens [mVdc] 3 Tomado de http://www.burr-brown.com/

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Vsens [mVdc] = Pin [PSI]*0.29907 [mVdc/PSI] Donde Vsens es el voltaje entregado por el sensor, Vmed es el voltaje después de la etapa de amplificación y Pin es la presión de entrada al cilindro actuador. Despejando y resolviendo se llega a que: Pin [PSI] = 9.967[PSI/Vdc]*Vmed [Vdc] Vmed [Vdc] = 0.1003 [Vdc/PSI]* Pin [PSI] - Sistema de adquisición de datos: Para realizar la adquisición y el almacenamiento de los datos provenientes del transductor de presión neumático y del sensor de presión FSR se usó un sistema de adquisición de datos tipo SCC “SCC DAQ system” de la compañía National Instruments. Este tipo de sistema de adquisición permite realizar adquisición y digitalización tanto de señales análogas como digitales de manera modular; para esto se cuenta con los siguientes componentes básicos: - Módulos de acondicionamiento digital y análogo - Chasis de conexión - Tarjeta de adquisición (PCI, PCMCIA entre otras) Específicamente se empleó respectivamente un chasis de conexión referencia SC-2345 “SC-2345 Series shielded carrier” (ver tabla 3), dos módulos SCC-AI “Analog Input” y una tarjeta de adquisición PCI modelo 6014 (ver tabla 4), la cual va directamente conectada a la tarjeta principal del computador personal (ver figuras 16, 17 y 18). La función de los módulos de adquisición de datos es filtrar y ajustar en amplitud la señal de forma que la conversión se realice lo más eficientemente posible, la figura 19 muestra el diagrama de bloques de los módulos SCC-AI empleados.

Caracteristica Valor

Función Acondicionamiento de Señal

Canales Análogos 16

Canales Digitales 8

Salidas Digitales 8

Timers/Counters 2

Conectividad Computador Personal

Requerimientos Drivers

Tabla 3. Características del módulo de acondicionamiento SC-2345

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Figura 15. Diagrama de Bloques Módulo SCC-AI

Característica Valor

Canales análogos de entrada 16

Frecuencia de muestreo máxima 200 KS/seg

Resolucion 16 - Bits

Salidas análogas 2

Frecuencia de sintesis 10 kS/seg

Resolucion 16 - Bits

Entradas/Salidas digitales 16

Niveles CMOS/TTL

Tabla 4. Características Tarjeta de adquisición PCI 6014

Figura 16. Chasis de conexión SC-2345

Figura 17. Módulo de acondicionamiento SCC4

Figura 18. Tarjeta de adquisición PCI 6014

4 Tomado de la pagina web http://www.ni.com

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Finalmente se desarrolló una aplicación software usando la herramienta de desarrollo LabView 7.0® la cual se encuentra instalada en el computador personal que esta conectado a la tarjeta de adquisición. La frecuencia de muestreo se escogió en 100 muestras por segundo (100 S/s) para cada canal (transductor de presión neumático y sensor de presión FSR), además, la resolución para cada canal fue de 16-bits. La figura 19 muestra la interfaz gráfica de la aplicación desarrollada y del diagrama de bloques de la misma. Una vez los datos estén almacenados en el computador se proceden a realizar diferentes análisis para determinar las curvas de calibración dinámicas del sensor de presión FSR.

Figura 19. Aplicación en LabView

• Caracterización Del Sistema Neumático De Calibración - Modelo teórico: Con el sistema de calibración puesto en marcha, nos interesa saber cual es el valor de fuerza aplicada al sensor en términos de la señal de referencia (medición del transductor de presión neumático). A continuación se obtiene una expresión para la fuerza aplicada al sensor por el cilindro de doble efecto (vástago) en términos de la presión de aire de entrada y el consumo de aire del cilindro. Con el fin de tener más claridad la figura mostrada a continuación describe las áreas internas del cilindro de doble efecto.

Presión de entrada

Área del embolo

Área del vástago

Embolo

Presión de salida

Vástago

Figura 20. Corte en 2D del cilindro de doble efecto

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Por segunda ley de Newton se puede asegurar que en el embolo la fuerza de entrada es igual a la de salida o a la fuerza aplicada: Fin = Fout Si se tienen en cuenta la relación de áreas, la ecuación anterior llega a ser en términos de presiones igual a: Pin * Aemb = Pout * Avast Donde Aemb y Avast corresponden al área de embolo y del vástago respectivamente (ver figura 18). Dado que deseamos obtener una expresión para la fuerza aplicada por el sistema de calibración a sensor, expresamos Fout en términos de las demás variables conocidas, así:

Fout = Pin * Aemb

Figura 21. Áreas del cilindro de doble efecto en 3D La medición de la presión de entrada del transductor de presión neumático se encuentra en unidades del sistema estándar americano (pulgadas por pie cuadrado - PSI) por tanto se debe realizar la siguiente conversión si queremos obtener la fuerza aplicada en Newtons: Fout [N] = Pin[PSI] * (1/145.04)[N/mm2] * Aemb Reemplazando el área del sensor en milímetros cuadrados se llega a: Fout[N] = Pin[PSI] * (1/145.04)[N/(PSI*mm2)] * 36π2[mm2]

= Pin[PSI] * 0.77976 [N/PSI] Si se tienen en cuenta el consumo de aire del embolo (pérdidas) la expresión anterior llega a ser: Fout[N] = Pin[PSI] * 0.77976 [N/PSI] – Consumo[PSI]* Aemb*K Aunque en la tabla 1 de características del cilindro no se da explícitamente un valor de consumo de aire del embolo en unidades de presión, en la hoja de datos de este mismo si se especifica que existe un consumo de aire que depende de la presión de operación del embolo es decir de la presión de entrada Pin.

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- Modelo experimental: Para validar los resultados obtenidos en la sección anterior se realizó la calibración experimental del sistema de calibración neumático usando un sistema comercial de medición de fuerza. Este sistema consta de un dispositivo de adquisición referencia Science Workshop-500 con interfaz tipo SCSI (tabla 5 y figura 22), junto con un sensor de fuerza modelo CI-6537 (tabla 6 y figura 22), ambos de la compañía PASCO®.

Característica Valor

Canales de enntrada 3

Rango de voltaje ±12 V

Fecuencia de muestreo 1MS/s

Impedancia de entrada 1 Mohmio

Resolucion 12 - bits

Tabla 5. Características del dispositivo de adquisición Science Workshop-500

Característica Valor

Medicion Bidireccional

Rango -80N a +80 N

Resolucion 0.03 N (3.1 grams)

Zero (Tare) Function push button

Tabla 6. Características del sensor de fuerza CI-6537 Mediante esta prueba experimental podemos llegar a hacer comparaciones cuantitativas y cualitativas que nos permitan obtener un parámetro de desempeño mucho más objetivo acerca de la operación del sistema de calibración.

Figura 22. Dispositivo de adquisición Science Workshop-500 y Sensor de fuerza CI-65375

- Resultados: Con el sistema de medición de fuerza expuesto anteriormente integrado al sistema de calibración neumático, se procedió a tomar un conjunto de datos para diferentes presiones

5 Tomado de la pagina Web http://store.pasco.com/pascostore/

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de entrada. La figura 23 muestra un grupo típico de datos de la señal de fuerza aplicada por el vástago medida usando el sensor CI-6537.

Tiempo (seg.) Figura 23. Fuerza aplicada por el vástago en el tiempo

Dado que la idea general es lograr caracterizar la respuesta del sistema de calibración neumático frente a la presión de entrada (señal de referencia) se registró adicionalmente la señal del transductor de presión neumático. Las figuras 24a y 24.b muestran las señales de referencia y de fuerza aplicada por el vástago para una señal de referencia de 17.12 y 50.27 PSI respectivamente.

Fuerza aplicada por el vástago

-1

2

5

8

11

14

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50Tiempo (s)

Fuer

za (N

)

Señal de Referencia (Pin)

-1258

111417

0 5 10 15 20 25 30Tiempo (s)

Pres

ion

(PSI

)

Pin = 17.12 PSI

Pin = 17.12 PSI

(a)

20

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Fuerza aplicada por el vástago

0

10

20

30

40

50

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50Tiempo (s)

Fuer

za (N

)

Señal de Referencia (Pin)

-1

9

19

29

39

49

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50Tiempo (s)

Pres

ion

(PSI

)

Pin = 50.27 PSI

Pin = 50.27 PSI

(b)

Figura 24. Muestras de las señales de referencia y de fuerza aplicada registradas Igualmente se tomaron datos para señales referencia adicionales con los cuales se generó una tabla en la cual se tiene el valor promedio de la señal de referencia, calculo teórico de la fuerza aplicada por el vástago, usando la expresión hallada en la sección anterior (sin tener en cuenta el factor de consumo de aire) y el valor promedio de la señal de fuerza medida con el sensor CI-6537.

Teórica (N) Medida (N)1 17.12 13.35 11.78 11.732 21.44 16.72 15.57 6.883 27.43 21.39 20.24 5.394 35.95 28.03 26.88 4.125 50.27 39.20 38.45 1.916 65.11 50.77 50.27 0.997 85.00 66.28 67.10 1.24

% de ErrorFuerza Aplicada

Medición Presión de Entrada(PSI)

Tabla 7. Mediciones de la fuerza aplicada por el vástago En primera medida se puede observar que existe un porcentaje de error bastante bajo entre la predicción teórica y los datos tomados, se podría adjudicar en fracción de este error al echo que no se tuvo en cuenta el consumo de aire y por esto los valores teóricos siempre son mayores a los medidos. Con el fin de observar más claramente la relación entre la señal de referencia y la fuerza aplicada se realizó una regresión lineal la cual se muestra en la figura 25.

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Presión de Entrada vs. Fuerza Aplicada Medida

y = 0.7993x - 1.7484R2 = 0.9998

01020304050607080

0 20 40 60 80Presión de Entrada (PSI)

Fuer

za A

plic

ada

(N

100

)

Figura 25. Relación fuerza aplicada vs. presión de referencia experimental Como se observa el coeficiente de la regresión es muy cercano a uno y el valor de la pendiente es bastante cercano al encontrado en la sección del modelo experimental, adicionalmente se nota que hay una constante negativa la cual se puede relacionar directamente con las pérdidas o el consumo de aire en el embolo del cilindro de doble efecto. De la misma forma se repitió el procedimiento para aproximadamente los mismos valores de señal de referencia. Los resultados fueron casi exactos ya que usando tres cifras significativas el error era del cero por ciento, lo cual es un excelente indicativo de la repetibilidad del sistema de calibración neumático. Por último, para una señal de referencia de 65 PSI se midió la fuerza aplicada por el vástago y como resultado el porcentaje de variación fue del orden del 0.1% después de 15 minutos lo cual dice que igualmente el sistema de calibración montado es bastante consistente en el tiempo. Como conclusión después de haber realizado todas las pruebas del caso se decidió trabajar con el modelo experimental ya que contempla pérdidas y otros factores reales que no se tuvieron en cuenta en el modelo teórico. - Adecuación de señal: Ya que la respuesta del sensor es del tipo inversamente proporcional (resistencia es inversamente proporcional a la presión), se debe usar una instrumentación que invierta esta relación de forma que la presión quede directamente proporcional al voltaje medido. La forma más simple de lograr linealizar esta relación es con un convertidor corriente voltaje el cual se muestra en la figura 26.

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Rs

{Rv al}

-VCC

Rf

3k

U1A

LM324

3

2

411

1+

-

V+V-

OUTVSALIDA

+VCC

0

v t

V

Figura 26. Convertidor corriente a voltaje La función de transferencia de este circuito es de la forma: Vsalida = -Vt*Rf/Rs Donde Rs es la resistencia del sensor, Rf es una resistencia de referencia y Vt es un voltaje fijo de entrada. Así, sí la resistencia del sensor es inversamente proporcional a la presión aplicada (Rs → 1/Pap) entonces el voltaje de salida (Vsalida) resulta directamente proporcional a la presión aplicada (Vsalida → Pap). Sensores Flexiforce® Inicialmente se dispuso de las tablas de calibración estáticas proveídas por el fabricante, en estas tablas se tienen los datos de la resistencia del sensor para distintas presiones aplicadas, para 3 sensores distintos. La siguiente figura muestra gráficamente la relación entre estas dos variables.

Tablas de Calibración

0

200

400

600

800

1000

1200

0.0 200.0 400.0 600.0 800.0 1000.0 1200.0 1400.0 1600.0

Presión [KPa]

Res

iste

ncia

[KO

hmio

s]

RES - ARES - BRES - C

Figura 27. Datos de calibración (Resistencia) - Fabricante

23

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Aplicando la función de transferencia de la adecuación de señal se obtiene la siguiente relación entre voltaje de salida versus presión aplicada.

Voltaje de salida (Tablas de Calibración)

y = 0.0027x + 0.0244R2 = 0.9991

0.0

0.51.0

1.52.0

2.53.0

3.54.0

4.5

0.0 500.0 1000.0 1500.0 2000.0Presión [KPa]

Volta

je d

e sa

lida

[V]

Figura 28. Datos de calibración (Voltaje de salida) - Fabricante Se procedió a registrar el voltaje de salida para determinadas presiones aplicadas, para cuatro sensores diferentes. La siguiente figura muestra el tipo de respuesta obtenida típica en tiempo. En el caso de 36a se tiene una presión de 25.5 PSI de entrada que equivale a 283.5 KPa aplicados, por su parte en 36b la presión de entrada es 51.4 PSI que corresponde a 604.2 KPa aplicados (nótese que los valores de presión aplicada pueden obtenerse usando el resultado obtenido en la sección de caracterización del sistema de calibración).

Voltaje Sensor (S1) [Pin = 25.5 PSI]

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

10 15 20 25 30 35 40Tiempo [s]

Volta

je [V

]

(a)

24

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Voltaje Sensor (S1) [Pin = 51.4 PSI]

01234567

11 16 21 26 31 36 41

Tiempo [s]

Volta

je [V

]

(b)

Figura 29. Señales típicas de voltaje en tiempo para (a) 283.5 KPa (b) 604.2 KPa Con el conjunto de datos tomados se procedió a generar las tablas de calibración individuales para cada sensor. Tal es el caso de la figura 30 la cual muestra la grafica de esta tabla para dos sensores diferentes (S1 y S2).

Calibración Obtenida (S1)

y = 0.0123x - 2.2003R2 = 0.9789

0.0

2.0

4.0

6.0

8.0

10.0

0.00 200.00 400.00 600.00 800.00 1000.00

Presión [KPa]

Volta

je [V

]

(a)

Calibracion Obtenida (S2)

y = 0.0131x - 2.1005R2 = 0.9708

0.001.002.003.004.005.006.007.008.009.00

0.0 200.0 400.0 600.0 800.0 1000.0Presion [KPa]

Volta

je [V

]

(b)

Figura 30. Calibración dinámica voltaje versus presión aplicada

25

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(a) sensor S1 (b) sensor S2 Como se observa de estas gráficas la relación es lineal con un factor de correlación cercano al 97%. Lo cual indica que en teoría la relación de resistencia versus presión aplicada es tipo inversamente proporcional, y como consecuencia las curvas mostradas no se saturan mientras aumenta la presión aplicada lo que se constituye en una ventaja de este sensor. Otro factor favorable de este sensor es su tiempo de respuesta, como se puede verificar en la siguiente gráfica.

Tiempo de Subida [Pin = 51.4 PSI]

01234567

13.2 13.3 13.4 13.5 13.6

Tiempo [s]

Volta

je [V

]

(a)

Tiempo de Bajada [Pin = 51.4 PSI]

01234567

15.3 15.35 15.4 15.45 15.5

Tiempo [s]

Volta

je [V

]

(b)

Figura 31. Tiempos de respuesta (a) Subida (b) Bajada A pesar de las bondades del sensor mencionadas anteriormente, existe un factor en contra en el cual el sensor después de determinado ciclo de carga exhibe una variación temporal en su respuesta para después volver a su valor nominal. Por último, a continuación se resumen los promedios de los parámetros de desempeño del sensor. Tiempo de subida = 0.015 seg. Tiempo de bajada = 0.015 seg. Repetibilidad = 5% Variación parte a parte = 12% 2.1.3. Adecuación de Señal Especificaciones

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Como se especificó, la señal de salida del sensor de presión Flexiforce es una resistencia que varía según la carga aplicada en la superficie activa de este. Así, la principal función del módulo de adecuación de señal es convertir esta señal de resistencia a una señal de voltaje. Como se ha mencionado en secciones anteriores para el tipo de sensor escogido (resistencia sensible a la fuerza) la resistencia (Rs) varía de la siguiente forma con la presión aplicada (Pap): Rs = (K1[KOhmio*KPa]) / (Pap[KPa]) Donde K1 es la constante de proporcionalidad del caso. En general es deseable que el voltaje medido varíe linealmente con respecto al mesurando, de esta forma se llega a la máxima sensibilidad en la medición, por tanto, si hacemos el voltaje de salida de la etapa de adecuación de señal (Vsalida) inversamente proporcional a la resistencia del sensor se cumplirá con esto. Vsalida = K2 [V/KOhmio]/Rs En la expresión anterior K2 es la constante de proporcionalidad, en base a su valor garantizamos que la excursión de voltaje sea la máxima posible en el momento de realizar la conversión de voltaje. Reemplazando Rs en esta ecuación tenemos que: Vsalida = K2[V/KOhmio]*Pap[KPa]/K1[KOhmio*KPa] = K2*K1 [V/KPa]* Pap[KPa] - Simulaciones: De la última ecuación, el voltaje de salida resulta ser directamente proporcional a la presión aplicada (Pap). Con el fin de verificar y calcular los valores de la constante de proporcionalidad K2 se desarrollaron simulaciones para los valores reales ocurridos en la resistencia del sensor. La figura 32 muestra el circuito esquemático simulado para una resistencia de referencia de 400 Kilo-ohmios y un voltaje de entrada (Vt) de -3 voltios. Los resultados observados en la figura 40 muestran que la excursión de voltaje es máxima, es decir entre cero y el voltaje de polarización.

27

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U1A

LM324

3

2

411

1+

-

V+

V-

OUT

0

+VCC -VCC

0

Rf

400k

0

PARAM ET ERS: =

V20Vdc

Rs

{Rv al}

+VCC

-VCC

0

V

V13Vdc

V3-3Vdc

v t

v t

Figura 32. Esquemático

Figura 33. Simulación, voltaje de salida versus resistencia del sensor

Implementación Particularmente en este proyecto, la etapa de adecuación de señal se ocupa básicamente de realizar una conversión de unidades (resistencia a voltaje) en lugar de realizar un ajuste de ganancia o amplificación como tal. Por tal motivo, para cometer esta conversión no se hace necesario recurrir a ningún esquema de instrumentación especializado, por el contrario, basta implementar la configuración corriente-voltaje por medio de un amplificador operacional convencional. Aunque amplificadores operacionales existen muchos comercialmente, particularmente se buscó un amplificador operacional que sea de bajo en ruido, de bajo voltaje de polarización y que sea de bajo consumo. Adicionalmente es fundamental que el amplificador este disponible en versión de montaje superficial con el fin de que su tamaño sea pequeño; en cuanto a esto también es importante disponer con una versión que tenga alta densidad de amplificadores por circuito integrado.

28

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Quizás la familia de amplificadores más evolucionada y optimizada en la actualidad es la LM324, existen numerosas versiones y variantes de su versión básica inicial. En nuestro caso decidimos usar el amplificador LPV324 (Low Power and Voltage LM324). Se decidió usar esta versión por su flexibilidad en el valor del voltaje de polarización (2.7 a 5 voltios) y ultra bajo consumo de potencia (máximo consumo de 24 µA para 2.7 voltios de polarización); además en su versión de montaje superficial es posible disponer de 4 amplificadores en un circuito integrado con tamaño aproximado de (4.4 mm x 5 mm). Todo esto hace a este modelo de amplificador un excelente candidato para nuestras necesidades.

Parámetro Mínimo Típico Máximo Unidades

Voltaje Offset de Entrada - 1.2 7 mV

Corriente de Polarización - 1.7 50 nA

Corriente Offset de Entrada - 0.6 40 nA

CMRR 50 70 - dB

PSRR 50 65 - dB

Voltaje de Barrido (V+) -100 (V+) -3 - mV

Corriente de Alimentación - 16 24 uA

Características @ 2.7 Voltios y 25ºC

Tabla 10. Características eléctricas en DC del OPAMP LPV324

Polarizado a 2.7 voltios 2.2 MÓDULO DE ADQUISICIÓN Y TRANSMISIÓN 2.2.1 Adquisición

Especificaciones En el módulo de adquisición se lleva a cabo la captura y posterior digitalización de las ocho señales de voltaje análogo proporcionales a la presión medida por los ocho sensores en cada plantilla. Las especificaciones que debe tener el módulo de adquisición son las siguientes:

• Captura de las ocho señales de entrada a una tasa de 25 Hertzios cada una. • Almacenamiento de las ocho señales para evitar perdida de información. • Coordinación entre la captura y el almacenamiento.

Diagrama de Bloques El diagrama de bloques para el módulo de adquisición es el siguiente:

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CONVERSION ANALOGA DIGITAL

ALMACENAMIENTO TEMPORAL

MAQUINA DE CONTROL

RD/WR DIR OEEOC SOC

VECTOR DE VOLTAJE ANALOGO

VECTOR DIGITAL VECTOR

DIGITALCONVERSION ANALOGA DIGITAL

ALMACENAMIENTO TEMPORAL

MAQUINA DE CONTROL

RD/WR DIR OEEOC SOC

VECTOR DE VOLTAJE ANALOGO

VECTOR DIGITAL VECTOR

DIGITAL

Figura 34. Diagrama de bloques módulo de adquisición. Conversión Análoga Digital (A/D) En el sub-módulo de conversión análoga digital se lleva a cabo la digitalización de las ocho señales de voltaje análogo provenientes de los sensores en una plantilla. La manera como se lleva a cabo la conversión de las ocho señales es por medio de la multiplexación de los ocho canales de entrada hacia el conversor. Las señales de control que intervienen en este módulo son dos:

• EOC: señal de fin de conversión, que es una señal de salida cuya la labor consiste en avisar cuando se ha terminado una conversión especifica y se puede comenzar la siguiente.

• SOC: señal de inicio de conversión, que es una señal de entrada cuya labor es

avisarle externamente a este sub-módulo cuando debe iniciarse una nueva conversión.

• SEL: esta señal es un vector digital de tres bits que selecciona cual de los ocho

canales se va convertir, por medio de la multiplexación a la entrada del conversor. Estas tres señales permiten llevar a cabo la conversión análoga digital en el momento adecuado para poder hacer el muestreo a 25 Hertzios, y coordinar este sub-módulo con el de almacenamiento temporal.

Almacenamiento Temporal En este sub-módulo se lleva a cabo el almacenamiento temporal de las ocho señales digitales provenientes del sub-módulo de conversión análoga-digital, con el fin de evitar que se pierda información. El almacenamiento temporal consta básicamente de un banco de

30

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ocho registros, donde cada uno almacena el resultado de la conversión de uno de los ocho sensores que se tienen. Las señales de control que intervienen en este módulo son tres:

• RD/WR: señal de lectura ó escritura al módulo. Por medio de esta señal se le avisa a este sub-módulo si la operación que se quiere realizar es de lectura o de escritura de los datos.

• DIR: vector digital de tres bits para indicar cual de los ocho registros queremos

acceder al momento de leer o escribir. Con estas dos señales coordinamos el almacenamiento de las ocho señales que vienen de la conversión análoga-digital para que el muestreo de cada señal de entrada se realice a una tasa de 25 Hertzios, y para que la conversión y el almacenamiento se sincronice.

Máquina de Control Este sub-módulo es el encargado de garantizar que las ocho señales de entrada al módulo de adquisición sean muestreadas a una tasa de 25 Hertzios, tal como se requiere. Para que esto suceda, la maquina de control sincroniza los sub-módulos de conversión análoga-digital y almacenamiento temporal para que las tareas se realicen en el orden y el momento adecuados

Implementación Para llevar a cabo la implementación del módulo de adquisición, existen las siguientes posibilidades:

i. Procesador, conversor ADC y memoria RAM separados: en esta opción, el procesador solo tendría la labor de manejar las señales de control, y existiría un bando de registros por aparte donde se almacenarían los datos provenientes de la conversión.

ii. Microprocesador con memoria RAM interna y ADC por separado: en este caso, el microprocesador no solo llevaría acabo el manejo de las señales, sino que la información proveniente del muestreo a 25 Hertzios seria almacenada dentro del espacio de memoria interna del microcontrolador reservado para RAM. La conversión análoga-digital se efectuaría por aparte.

iii. Microprocesador con memoria RAM interna y ADC incorporado: en este caso todo el módulo de adquisición iría compactado en un solo dispositivo, que representa una ventaja por tamaño y precio.

Contrastando las tres opciones que se presentan, debido a la restricción de tamaño y costo que se tienen, resulta más factible llevar a cabo la integración de todo el módulo de adquisición en un solo dispositivo. Esto es posible ya que en el mercado se presentan

31

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microcontroladores con memoria RAM incluida, y hasta ocho canales de conversión análoga-digital por multiplexación de canal. Bajo cualquier escenario resulta más factible esta alternativa que implementar alguno de los sub-módulos por separado. Más adelante será necesario incluir nuevas tareas a realizarse en el microcontrolador, y en ese momento decidiremos cual es la mejor opción en el mercado. 2.2.2 Comunicaciones

Especificaciones En el módulo de comunicación se lleva a cabo la transmisión de los datos capturados en el módulo de adquisición, cumpliendo con un protocolo de comunicación establecido. Teniendo en cuenta que la transmisión se va a llevar a cabo de manera inalámbrica, las características que debe tener el módulo de comunicación son las siguientes:

• Generar un entramado de los datos que han sido adquiridos en el módulo de adquisición para detección de errores.

• Codificar las ocho señales entramadas para minimizar la probabilidad de error en la transmisión inalámbrica.

• Transmitir los datos a una tasa de transmisión adecuada, y en una banda frecuencia determinada.

Diagrama de Bloques El diagrama de bloques para el módulo de comunicación es el siguiente:

ENTRAMADO CODIFICACIÓN

MAQUINA DE CONTROL

VECTOR DIGITAL

VECTOR DIGITAL SEÑAL RF

TRANSMISIÓN

VECTOR DIGITAL

ENTRAMADOFIN

ENTRAMADOCODIFICAR FIN

CODIFICACIÓN TRANSMITIR

EMPAQUETAMIENTO

EMPAQUETARFIN

EMPAQUETAMIENTO

VECTOR DIGITAL

ENTRAMADO CODIFICACIÓN

MAQUINA DE CONTROL

VECTOR DIGITAL

VECTOR DIGITAL SEÑAL RF

TRANSMISIÓN

VECTOR DIGITAL

ENTRAMADOFIN

ENTRAMADOCODIFICAR FIN

CODIFICACIÓN TRANSMITIR

EMPAQUETAMIENTO

EMPAQUETARFIN

EMPAQUETAMIENTO

VECTOR DIGITAL

Figura 35 Diagrama de bloques módulo de comunicación.

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Entramado En este sub-módulo se lleva a cabo la generación del código de detección de errores que va concatenado al final de la señal original. Esta detección de errores es necesaria en cualquier protocolo de comunicación inalámbrica. Las señales de control que intervienen en este módulo son las siguientes:

• ENTRAMAR: esta señal se usa para que indicarle al módulo cuando debe seguir en el proceso de entramar la señal que le esta llegando. Es importante tenerla porque la llegada de los ocho datos provenientes del módulo de adquisición se hace una por una y no las ocho a la vez, así que el módulo tiene que ser avisado sobre cuando debe parar de entramar de entramar.

• FIN ENTRAMADO: una vez se ha realizado el entramado de una señal, este sub-

módulo tiene que avisar para que se le pueda dar la orden de seguir entramando o parar el entramado cuando sea necesario.

El entramado se va realizar por medio de la verificación de códigos de redundancia cíclica (CRC), que tienen las siguientes características: Códigos de redundancia cíclica (CRC): los códigos de redundancia cíclica se utilizan para la detección de cierta clase de errores en la transmisión de un mensaje. El algoritmo para generar estos códigos trata el mensaje original como un número binario, llamado el frame. Este mensaje original es dividido por otro número binario al que se conoce como el “polinomio”, siendo el residuo de esta división el código de redundancia cíclica (CRC), cuyo número de bits es igual al número de bits del “polinomio” menos uno. Esta división se realiza usando aritmética módulo 2. El residuo de la división (el CRC) calculado, se concatena al final del mensaje original al momento de transmitir. En el receptor se divide el mensaje que llega (que incluye el CRC calculado) por el mismo “polinomio” que el transmisor usó en la división al momento de hacer el calculo del CRC. Si el resultado es diferente de cero, ocurrió un error durante la transmisión. La división en el receptor también se realiza en aritmética módulo dos. Los cálculos módulo 2 se realizan simplemente haciendo XOR entre dos número. Al momento de implementar el algoritmo, es necesario aumentar el mensaje n bits, siendo n el número de bits del CRC (el número de bits del polinomio menos uno), fijando estos n bits en cero. En el siguiente ejemplo se lleva a cabo el cálculo del CRC para el mensaje 110101 y el polinomio 101:

33

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Figura 36 Ejemplo del calculo del CRC. [25]

Los errores que se pueden detectar con el CRC dependen del polinomio que se escoja al momento de llevar a cabo la división módulo dos. Hemos decido escoger el polinomio característico 10011 para poder detectar los siguientes errores en la transmisión:

• Todos los errores sencillos de 1 bit. • Todos los errores dobles (2 bits). • Todos los errores que consisten de un número impar de bits invertidos. • Todos los errores en ráfaga de longitud menor a cinco.

El tamaño del mensaje resultante al incluir el CRC es por cada sensor de:

BitsCRCtamañomensajetamañotramaTamaño 1248 del del =+=+=

Codificación En este sub-módulo se codifica la señal entramada que va a ser transmitida, de tal modo que quede balanceada en su nivel DC con el fin de sincronizar el receptor, cumpliendo con el protocolo de comunicación que se implemente. En la codificación también se incluye el símbolo de inicio de transmisión que minimice la probabilidad de error en la detección de inicio de transmisión. Las señales de control que intervienen en este sub-módulo son las siguientes:

• CODIFICAR: esta señal se usa para indicarle al sub-módulo cuando debe seguir el proceso de codificar la señal que le esta llegando. Es importante tenerla porque la llegada de los ocho datos provenientes del sub-módulo de entramado se hace una por una, y no las ocho a la vez, así que se le debe avisar al sub-módulo cuando parar de codificar lo que le esta llegando.

34

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• FIN CODIFICACIÓN: una vez se ha realizado la codificación de una señal, este

sub-módulo tiene que avisar para que se le pueda dar la orden de seguir codificando o parar la codificación cuando ya se han codificado las ocho señales provenientes del entramado.

Para la codificación se recurrió a los códigos de Nibble. Estos códigos tienen como objetivo evitar la saturación del condensador del receptor, de modo que la señal transmitida quede balanceada en su nivel DC. Por cada cuatro bits, la codificación de Nibble da como resultado los siguientes seis Bits de codificación:

• 0 = 0x015 = 010101 • 1 = 0x031 = 110001 • 2 = 0x032 = 110010 • 3 = 0x023 = 100011 • 4 = 0x034 = 110100 • 5 = 0x025 = 100101 • 6 = 0x026 = 100110 • 7 = 0x016 = 010110 • 8 = 0x01A= 011010 • 9 = 0x029 = 101001 • 10 = 0x02A= 101010 • 11 = 0x00B = 001011 • 12 = 0x02C = 101100 • 13 = 0x00D = 001101 • 14 = 0x00E = 001110 • 15 = 0x01C = 011100

Además de la tabla, la codificación de Nibble sugiere como símbolo de inicio de transmisión 000111111110 para minimizar la probabilidad de error en la detección de inicio de transmisión por parte del receptor. En número de Bits que resultan al aplicar la tabla de Nibble es 6/4 por el tamaño del mensaje a codificar, ya que de cada 4 bits salen seis. De esta manera, al aplicar la tabla de Nibble a los doce bits provenientes del entramado por cada sensor (ocho bits de información más los cuatro provenientes del CRC) el resultado es:

Bits 184

612 codificado mensaje del =×

=tamaño

El número total de bits que resultan de la codificación son:

( ) ( ) Bits 15614412sensores 8Sensor

Bits 18 inicio de Simbolo de Bits 12 Bits de Total =+=×+=

35

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Empaquetamiento En este sub-módulo se empaquetan los datos de acuerdo a la tasa de transmisión escogida, según sea más conveniente. Las señales de control que intervienen en este sub-módulo son las siguientes:

• EMPAQUETAR: con esta señal se le da la orden al sub-módulo de que siga o no empaquetando lo que le llega.

• FIN EMPAQUETAMIENTO: con esta señal el sub-módulo indica cuando ha

completado un empaquetamiento y esta listo para iniciar otro. Teniendo en cuenta que es necesario transmitir 156 bits en menos de 40 milisegundos, y que quede tiempo necesario para realizar cada una de las tareas anteriores a la transmisión. Contemplando transmitir a 5kbps y a 10kbps (kilo bits por segundo), que son las opciones más frecuentes en el mercado para llevar a acabo una transmisión inalámbrica, y que se encuentran a nuestro alcance, los tiempos empleados en la transmisión serían los siguientes: 10kbps:

Tiempo de Transmisión = (156/10) ms = 15.6ms Tiempo para operaciones = 40ms – 15.6ms = 24.4ms

5kbps:

Tiempo de Transmisión = (156/5) ms = 31.2ms Tiempo para operaciones = 40ms – 31.2ms = 9.1ms

De esta manera, podemos implementar el empaquetamiento de modo que la tasa de transmisión sea de 5kbps o de 10kbps, falta ver los costos de ambas alternativas y como es el consumo en ambos casos para decidirnos por una implementación, pero ambas son factibles. Transmisión En este sub-módulo se lleva a cabo la transmisión inalámbrica de la información que viene empaquetada para ser transmitida, en cierta banda de radio frecuencia determinada. La única señal de control que interviene en este módulo es la siguiente:

• TRANSMITIR: esta señal se usa para indicarle al sub-módulo cuando debe estar transmitiendo la señal que le esta llegando.

La manera mas optima de implementar la comunicación inalámbrica es utilizando una sola frecuencia de transmisión, y que la comunicación entre las partes que transmiten y el receptor sea bidireccional, por multiplexación de tiempo, y sincronizada por el receptor. Sin

36

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embargo, esta manera de llevar a cabo la comunicación inalámbrica exige tres elementos transciver (transmisor y receptor integrados en un solo chip), uno en cada plantilla y otro en la cintura, pero el costo de estos elementos puede ser muy elevado. Existe otra alternativa para llevar a cabo la transmisión que es por multiplexación de frecuencia, donde la comunicación entre las dos plantillas y el módulo de recepción se hace de manera independiente en tiempo y unidireccional, siendo necesario escoger dos frecuencias de transmisión, sacrificando eficiencia, pero el costo puede resultar mucho menor. Tenemos disponibles las siguientes bandas de frecuencias para transmitir: 433 Mhz, cuyo uso es permitido por el ministerio de comunicaciones sin ninguna restricción, y 315 Mhz, cuyo uso exige un permiso que hay que solicitar en el ministerio. Ambas formas de transmitir son posibles, falta ver cual de las dos es más viable al tener en cuenta los costos de los dispositivos necesarios en cada implementación (ver la parte de implementación).

Máquina de Control Es necesaria para coordinar las actividades de entramado, codificación, empaquetamiento y transmisión en el momento indicado, teniendo en cuenta que hay una secuencia determinada para estas operaciones, y un momento especifico en que se deben realizar.

Implementación adquisición y transmisión En los sub-módulos de entramado, codificación y empaquetamiento se lleva a cabo procesamiento de datos. Por esta razón, la implementación física de estos sub-módulos se puede llevar a cabo en un mismo microcontrolador, donde también se va a llevar cabo la implementación física del módulo de adquisición. Esto es posible ya que la parte de adquisición ocupa una porción pequeña en la memoria del microcontrolador, dejando espacio para integrar en él estos sub-módulos. El microcontrolador elegido fue el MC68HC908GP32 de Motorola con las siguientes características relevantes para nuestro sistema, de la familia de 8 bits de Motorola (hc08):

CARACTERISTICA VALOR

Conversores A/D 8 x 8 Bits

Timers 2 x 16 Bits

Pines 40 DIP, 42 SDIP, 44 QFP

Pines para entrada/salida 33

Frecuencia de operación 5V = 8 Mhz, 3V = 4Mhz

Memoria Flash 32Kbytes

Memoria RAM 512 BytesConsumo máximo 5 mA

MC68HC908GP32

Tabla 11. Características del microcontrolador. [26]

37

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Se escogió este microcontrolador porque posee un conversor con el número de canales requerido, la memoria necesaria para almacenar los datos que se van a procesar y la capacidad de procesamiento necesaria, dos temporizadores internos, uno para llevar el control de los 25 Hertzios que se necesitan en el muestreo de los sensores, y el otro para llevar el control de la tasa de transmisión, que se debe realizar a 5kbps. Además de esto, este microcontrolador es de bajo consumo, con operación a bajo voltaje, y se contaba con el Kilt de desarrollo necesario para programarlo y quemarlo. Para la implementación del entramado y transmisión, los dispositivos de la compañía LINX son nuestra mejor opción en el mercado por costos y tamaño. El costo de la implementación con transceivers esta por encima de 115 dólares, por lo que desechamos esta alternativa. La implementación con transmisores y receptores por separado tiene los siguientes costos para 10kbps y 5kbps:

Velocidad de TX Costo5 Kbps 33 Dolares

10 Kbps 31.5 Dolares

TX - RX por separado

Tabla 12. Costos de los dos pares transmisor-receptor. [27] La mejor alternativa en el mercado es la que brinda la pareja transmisor-receptor de LINX de 10kbps. Sin embargo tocó decidirse por la pareja transmisor-receptor de 5kbps porque la de 10kbps se encuentra agotada en el mercado, y sus existencias se repondrán en el mes de Junio Las características de estos dos transmisores son las siguientes:

Caracteristica LC Linx (5Kbps) LC Linx (10Kbps)Maxima corriente 6mA a 5.2V 7mA a 5.2V

Corriente en stand by 1.5uA 35uATiempo de encendido 80us 0,5ms

Tiempo de apgado 100ns 100ns

Tabla 13. Características de los transmisores. [28] El esquemático del transmisor de 5 Kbps es el siguiente:

38

IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09

Figura 37. Esquemático del transmisor. [28] El tipo de modulación que utilizan los transmisores elegidos es CPCA (Carrier-Present Carrier-Absent) o también muchas veces conocida como una modulación de tipo AM OOK. Las ventajas que nos da este tipo de transmisión es sobre todo bajo consumo de potencia, ya que solo hay generación de portadora en el momento en que transmitimos un 1 lógico. La segunda razón por la cual escogimos este tipo de modulación es que la su implementación es mas sencilla y por lo tanto los costos son menores. El consumo del transmisor se ajusta con una resistencia entre el pin 4, que es de ajuste, y tierra. La tabla de consumo contra voltaje del transmisor es la siguiente:

Figura 38. Consumo de corriente y potencia entregada por el transmisor. [28] Para un voltaje de alimentación de 3Voltios, y con la resistencia de ajuste de 433 ohmios, la corriente que se consume en la transmisión es de un poco menos de 2 mA. La antena que se selecciono para llevar a cabo la comunicación es la sugerida por LINX para sus transmisores de montaje superficial, también a bajo costo:

39

IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09

Figura 39. Esquemático de la antena. [29]

Las características de esta antena son las siguientes:

CARACTERISTICA VALORAcoplamiento Ninguno

Ganancia Mayor a unoPerdidas Bajas

Impedancia caracteristica 50 OhmiosPolarización lineal Favorable

Precio máximo 1,75 Dolares

Tabla 14. Características de la antena. [27][29]

2.2.3 Consumo de los Dispositivos y Baterías Como existe la posibilidad de reemplazar la pareja transmisor-receptor de 5kbps por la de 10kbps, que es evidentemente mucho mejor, el análisis del consumo de los elementos debe contemplar las dos posibilidades, ya que el consumo se reduce drásticamente cuando la tasa de transmisión se mejora de 5kbps a 10kbps.

Carateristica ValorT. CICLO (ms) 40

T. TRANSMISION (ms) 31,2CORRIENTE TX (mA) 2

CORRIENTE MICRO (mA) 5CONSUMO TOTAL (mA) 6,56

CONSUMO DISPOSITIVOS

Tabla 15 Consumo de los dispositivos. El resultado de nuestro análisis en la selección de las baterías fue el siguiente:

40

IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09

Baterías panasonic Entre las baterías panasonic, se destacan dos principalmente para nuestro propósito: batería de Litio de Manganeso recargable (serie ML) de panasonic, y la batería recargable de Litio de pentóxido de Vanadio recargable. La información acerca de estas baterías se encuentra a continuación.

Tabla 16 Duración y costos baterías panasonic. [30] La curva de descarga característica de las baterías panasonic de 100 y 45 mAh recargables es la siguiente:

Característica Litio de Manganeso Litio de pentoxido de Vanadio Duración (mAh) 45 100Voltaje (Voltios) 3 3

Precio (dólares) 2,8 7

DURACION Y COSTO BATERÍAS

Figura 40 Curva de descarga característica baterías panasonic. [30]

41

IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09

Baterías Varta De las baterías Varta que nos puedan interesar en nuestro proyecto se destacan también dos: batería recargable de litio - ion prismático (LPP503759CA), y la batería de litio – polímero recargable llamada Varta Poliflex (PLF 503759). El problema que se presenta con estas Baterías de Varta es que la empresa no da razón de ellas, y al parecer todavía están en fabricación. La información es la siguiente:

Caracteristica litio - ion prismatico litio – polimeroDuración (mAh) 1100 980Voltaje (Voltios) 3,7 3,7

Precio (dolares) -- --

DURACION Y COSTO BATERÍAS

Tabla 17 Duración y costos baterías Varta. [31]

La curva de descarga de la batería Varta de LITHIUM-POLIMER es la siguiente:

Figura 41. Curva de descarga característica batería Varta de litio-polímero. [31]

Observamos que esta clase de baterías tiene relación entre capacidad y voltaje mucho mejor que las panasonic. El uso de estas baterías queda abierto en un futuro. Los tiempos de duración de las Baterías contempladas para el consumo de los dispositivos son los siguientes:

42

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Tipo de batería TIEMPO DE DURACION (Horas)45 mAh Recargable ( US$2.8 ) 7100mAh Recargable ( US$7 ) 15

DURACION Y COSTO BATERÍAS

Tabla 18. Duración y costos baterías Varta. [30] Con los dispositivos s os debe darnos una

inalmente, el esquema general del módulo de adquisición de cada plantilla, incluyendo las

.2.4 Control

l diagrama de control de estados de los módulos de adquisición y comunicación debe

• APAGADO: es importante tener una condición de apagado para permanecer en un

CONFIGURACION: este estado es visitado una sola vez después de encendido el

• ESPERA: este estado se visita cada vez que ha terminado un proceso completo de la

• CONVERSION: en este estado se lleva a cabo la conversión, y se debe visitar ocho

sucesivamente hasta completar las ocho.

eleccionados, la batería de 100 mAh que escogimduración de 15 horas. Fseñales de control que permiten el correcto funcionamiento, seria de la siguiente manera: 2 Econtemplar todos los procesos que se llevan a cabo, tanto en el módulo de adquisición como en el de comunicación, al igual que la secuencia en que estos se presentan, y la condición para pasar de un proceso a otro. Es conveniente unificar los módulos de adquisición y comunicación a la hora de hacer el diagrama de estados, ya que los procesos que se llevan a cabo en estos llevan una secuencia. Los estados que se presentan son los siguientes:

estado conocido a la hora de iniciar la operación del sistema. Desde cualquier estado se puede regresar a este cuando la condición de apagado se cumple, pero por razones practicas y de estética es mejor no poner esta transición en el diagrama para no confundirse al momento de analizarlo.

•sistema, y es en el que se configuran cada uno de los módulos descritos arriba. La configuración exacta que se haga en este estado depende de la tecnología que utilizada para implementar el diseño, pero a grandes rasgos se debe configurar el ADC, los timers del sistemas necesarios para garantizar una frecuencia de conversión de 25 Hertz y la tasa de transmisión.

señal, que comienza desde que inicia la conversión de las ocho señales hasta que son transmitidas, y se permanece en este estado hasta que vuelva a darse la orden de convertir nuevamente, que se genera cada cuarenta milisegundos.

veces cada vez que se sale de espera, debido a que hay ocho señales que es necesario convertir. Cabe señalar que una vez convertida una señal, es necesario almacenarla para que no se pierda, y luego si se convierte la siguiente, y así

43

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• sita después de que hay una conversión,

para guardar el dato que es convertido, de modo que no se pierda la información.

• e las ocho señales,

una tras otra. La condición para llegar a el es que ya se encuentren guardados en

• n las ocho señales que han sido entramados

anteriormente, una tras otra. La condición para llegar aquí es que el entramado haya

• para

transmitir, de modo que se le envíen bit a bit al transmisor a una tasa de 5kbps. Este

• estado se lleva acabo la transmisión de los datos,

visitándose 156 veces, cada vez que se da un empaquetamiento. Desde estado se

• timo dato y

la llegada al estado de espera al que se llega después de que se ha terminado la

El diag ón de estados, junto con las condiciones de salto es de la siguiente

anera:

ALMACENAMIENTO: este estado se vi

Después de guardar los ocho datos no se visita nuevamente hasta que se de un nuevo inicio de procesamiento, que es cuando se sale de espera.

ENTRAMADO: en este estado se lleva a cabo el entramado d

memoria temporal los ocho datos provenientes de la conversión. Este estado se visita una sola vez en cada proceso de muestreo de los ocho sensores, y se permanece en el mientras se entraman las ocho señales que se encuentran almacenadas en memoria temporal.

CODIFICACIÓN: aquí se codifica

terminado, y los datos estén listos para ser codificados. También se visita una sola vez, después de cada proceso de muestreo de los ocho sensores. Se sale de este estado una vez se han codificado los ocho datos que vienen de ser entramados.

EMPAQUETAMIENTO: aquí se entra para empaquetar los datos listos

estado debe ser visitado 156 veces, que son el número de bits a ser transmitidos en cada proceso de muestreo.

TRANSMISION: en este

pasa a fin de envío una vez se ha transmitido el ultimo de los 156 datos.

FIN DE ENVIO: este es un estado intermedio entre la transmisión del úl

transmisión de los datos. Este estado es importante porque en el se puede llevar a cabo la reasignación de valores en los registros, el reset de la banderas que sea necesario, etc.

rama de transicim

44

IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09

ON_OFF = 0

Figura 42. Diagrama de estados de las señales de control.

2.2.5 Esquemático del Circuito de la Plantilla El esquemático de la implementación es el siguiente:

INICIO_CONV = 0

INICIO_CONV = 1

FIN_CONV = 0

FIN_CONV = 1

ON_OFF = 1

ALMACENAR = 1

ALMACENAR = 0

EMPAQUETAR=1

EMPAQUETAR=0

APAGADO

CONFIG ESPERA

CONVER-SIÓN

ALMACENA-MIENTO

ENTRAMADO

CODIFICA- CIÓN

EMPAQUE-TAMIENTOTRANS -

MISIÓN

FIN ENVÍO

ENTRAMAR = 1

ENTRAMAR = 0

CODIFICAR = 1

CODIFICAR = 0

ON_OFF = 0

APAGADO FIN_CONV = 0

ALMACENA-INICIO_CONV = 0 ALMACENAR = 0

ON_OFF = 1 MIENTOCONVER-

INICIO_CONV = 1

FIN_CONV = 1

ALMACENAR = 1

SIÓN

ESPERA CONFIG ENTRAMAR = 1

ENTRAMADOFIN EMPAQUETAR=1ENVÍO

CODIFICAR = 1

ENTRAMAR = 0EMPAQUE-EMPAQUETAR=0 CODIFICA- TRANS - TAMIENTO

MISIÓN CIÓNCODIFICAR = 0

45

IEL2-I-05-30 IEL2-I-05-09

CANAL 1

CANAL 2

CANAL 3

CANAL 4

CANAL 5

CANAL 6

CANAL 7

CANAL 8

8 SEÑALES ANALOGAS

SEÑA L A 5 Kbps

TIERRA VCC

VCC TIERRA

SEÑA L DE RF

MICROCONTRO LADOR

TRANSMISOR DE RF

ANTENATIERRA

BATERÍA

TIERRA VCC

CANAL 1

CANAL 2

CANAL 3

CANAL 4

CANAL 5

CANAL 6

CANAL 7

CANAL 8

8 SEÑALES ANALOGAS

SEÑA L A 5 Kbps

TIERRA VCC

VCC TIERRA

SEÑA L DE RF

MICROCONTRO LADOR

TRANSMISOR DE RF

ANTENATIERRA

BATERÍA

TIERRA VCC

Figura 43. Esquemático de los módulos de adquisición y comunicación. El diagrama circuital de todo el módulo de la plantilla es el siguiente:

46

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Figura 44. Diagrama circuital elementos de la plantilla. Los PCBs que se fabricaron en montaje superficial doble capa para optimizar tamaño, tiene la misma forma para ambos cada pie, pero una distribución de los elements distinta, tal como se puede apreciar en las figuras 45 y 46.

a) Capa de arriba b) Capa de abajo

Figura 45. PCB pie derecho.

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a) Capa de arriba b)Capa de abajo

Figura 46. PCB pie izquierdo.

Figura 47. Montaje físico del circuito en una plantilla.

2.3. MÓDULO DE RECEPCIÓN, ALMACENAMIENTO Y ALERTA AL PACIENTE El esquema mostrado a continuación nos muestra el diagrama de bloques general del dispositivo que el paciente portara en la cintura. Consta a su vez de varios módulos. Como se puede apreciar, este dispositivo es manejado en su totalidad por una maquina de control la cual todo el proceso de recepción, manipulación, almacenamiento y transmisión de la información. Explicando este diagrama de forma muy general, este arranca con el módulo de recepción de los datos inalámbricos que llegan del pie. Posteriormente estos datos pasan a un módulo de decodificación para realizar el desentramado del protocolo y la detección de error en la transmisión. Una vez los datos están listos, se procede a llevarlos a un módulo de almacenamiento, en donde precisamente se guarda la información enviada desde el dispositivo del pie. Cuando los datos se encuentran almacenados, todos los datos están listos para ser enviados al computador para ser visualizados, pero antes deben pasar por un módulo de empaquetamiento de datos para que estos puedan ser enviados de una forma organizada, y que el software que se encuentra en el computador pueda entender.

48

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En el momento en que los datos están siendo tratados por el módulo de decodificación, la maquina de control esta haciendo lectura de este proceso, y esta decide en que momento es necesario transmitir una señal de alarma precisamente al módulo de generación de alarma. Independientemente a todo este proceso, existe un módulo de calibración de sensibilidad de alarma. Se podrá acceder a este módulo en el momento en que la maquina de control halla detectado que la palabra de modo de operación se encuentra activada para realizar esta tarea. Conjuntamente que esto existe una interacción entre el dispositivo y el computador, que es quien envía la palabra de calibración.

Figura 48

• MODULO DE RECEPCION INALAMBRICO: Este módulo se encarga de realizar la recepción de los datos que envía el módulo de transmisión inalámbrico ubicado en el pie. Este se encuentra encendido todo el tiempo desde que entremos en el estado de recepción de datos, esto debido a que en cualquier momento podemos tener llegada de datos desde el pie, por que no tenemos control bidireccional. Estos datos son enviados inmediatamente al módulo de decodificación, quien los recibe y se encargara de realizar su tarea correspondiente, que explicaremos a continuación.

• MODULO DE DECODIFICACION: Como ya mencionamos anteriormente, este

módulo se encarga de recibir los datos provenientes del módulo de recepción, luego almacenamos temporalmente esta información para poder decodificarla. Este proceso se trata de realizar un desentramado de los datos, para poder identificar si hubo algún error en la transmisión, luego que se ha hecho la correcta identificación de los datos, se procede a almacenarlos temporalmente para que luego sean enviados al módulo de almacenamiento en memoria

49

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Figura 49

• MODULO DE ALMACENAMIENTO EN MEMORIA: Aquí lo que realizamos es precisamente almacenar los datos ya decodificados y que son enviados de una forma organiza por dicho módulo. Que sean almacenados de forma organizada es importante debido a que nos facilita la lectura de estos cuando queremos que los datos vayan a ser enviados al PC para su visualización.

• SISTEMA DE ALARMA: En este sistema lo único que hacemos es recibir una

señal de la maquina de control para activar o no este sistema. Este sistema de alarma puede estar representado por medio de cualquier aplicación de interfaz con el paciente, de tal forma que este se pueda dar cuenta en que momento se presenta dicha señal.

• MODULO DE TRANSMISION Y RECPCION DE DATOS CON PC: Este

módulo se encarga de hacer un puente de comunicación entre el módulo de la cintura del paciente y el computador del doctor por medio del puerto USB. Aquí ya se reciben los datos enviados por la maquina de control que son leídos del modulo de almacenamiento masivo. Por otro lado aquí también hacemos la recepción de las señales de sincronización y control que son enviados por el software uinstalado en el computador.

Figura 50

• MAQUINA DE CONTROL: Este módulo es el que se encarga de realizar el control de cada uno de los módulos descritos anteriormente. Cuando nos encontramos en el estado de comunicación con el computador, una vez es recibida la señal de envío de datos, la maquina de control es la que se encarga de realizar la organización de los datos que van ser enviados al módulo de transmisión y recepción de datos con PC. De la misma manera se realiza la interpretación de los datos que son enviados desde el computador. En la figura 54 se puede apreciar como esta máquina de control interactúa con el resto de los módulos del dispositivo.

50

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Diagrama de Estados Para el caso del módulo de la cintura tenemos cuatro estados principales a los que nos podemos dirigir. La decisión para poder dirigirnos a cualquiera de estos cuatro estados principales, es determinada por el paciente y-o el médico por medio de un sistema de interfase que en este caso consta de botones. Los cuatro a estados a los que nos podemos dirigir partiendo de un estado de inicio o stand by son:

• VERIFICAR RX En este como en los 3 estados que se mencionarán a continuación, el usuario determina cuando quiere llegar al estado. Para este caso estamos entrando en el estado de recepción de datos inalámbricos enviados desde el dispositivo del pie. La serie de estados siguen después de entrar en este son los de Desentramar1 que es donde tenemos los datos listos para que sean guardados inicialmente sin hacer aun ningún tipo de análisis, de acá pasamos al estado de Recibir datos que es donde guardamos los datos temporalmente para luego pasar al estado Desentramar2 que es donde hacemos la decodificación del protocolo mediante el cual fueron enviados los datos, una vez se halla hecho este desentramado los datos están listos para ser guardados, y por lo tanto pasamos al estado de Guardar datos, luego de que estos datos hallan sido guardados físicamente en la memoria, estos mismos pasan a un estado de Comparar en donde se hace el análisis de activación de alarma o no, en caso que halla que activar la alarma se pasa a el estado que lleva el mismo nombre, en caso que no, nos devolvemos al estado principal de espera de recepción de los datos inalámbricos. Para poder salir de este estado principal al igual que para los otros estados, existe un botón “Reset” o “Salida” el cual nos devuelve al estado de Inicio.

• ENVIAR A PC En el momento en que el médico determine hacer lectura de los datos almacenados en el dispositivo lo puede hacer entrando a este estado. Una vez entremos en este estado se esperara una señal procedente del PC para que empiece la transmisión de datos hacia este. En el momento en que finalice esta tarea estaremos de nuevo en el estado de inicio.

• SENSIBILIDAD ALARMA La explicación de este estado es muy similar a la

hecha anteriormente. Aquí también esperamos una palabra de calibración procedente del computador, una vez sea recibida correctamente, volveremos al estado de inicio.

• BORRAR MEMORIA Al igual que los dos estados anteriores, una vez estemos

en este estado la orden concreta de borrado de datos proviene del computador. En la gráfica mostrada a continuación (Figura 57) se pueden apreciar los estados de una manera esquemática explicados enteriormente.

51

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Figura 51 Diagrama Esquemático del Diseño e Implementación del Dispositivo Ubicado en la Cintura del Paciente

En el esquema mostrado a continuación, se muestra el esquemático al que se llego en el diseño final del dispositivo ubicado en la cintura del paciente. A continuación describiremos cada uno de los dispositivos utilizados y descritos de manera general en el diagrama esquematico.

• RECEPTORES RF Como se puede apreciar, estamos utlizando dos receptores inalámbricos. La razón de esto es que el transmisor que se encuentra en cada uno del los pies transmite una frecuencia distinta, esto por supuesto para evitar interferencia en la transmisión de los datos de cada pie. El primer receptor corresponde a Receptor RF 1, y es de 433MHz, el segundo que en este caso es Receptor RF 2, es de 315MHz. El fabricante es el mismo de su transmisor LINX, y por supuesto de la misma familia y serie.

• MICROCONTRLADORES También se están utilizando dos

microcontroladores, esto es debido a que las señales de cada pie llegan de forma arbitraria, esto debido a que no se esta utilizando transmisión bidireccional para controlar el envío de la información. Sin embargo hay un microcontrolador que es el que ejerce el control real sobre todo el dispositivo que en este caso es el µC central

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y pie #1. El µC pie #2, solo se encarga de controlar la llegada y almacenamiento de los datos procedentes del pie 2, y esta bajo las ordenes del microcontrolador central. Para este diseño inicial utilizamos microcontroladores Motorota de la familia HC08, mas concretamente el HC08GP32, esto debido a que nos ofrece gran velocidad de operación a bajo voltaje, y por lo tanto menos consumo de corriente (podemos operar a 4MHz de velocidad de bus interno con 3V). Además de esto cuenta con gran capacidad de memoria RAM, y gran cantidad de puertos disponibles para propósito general.

• MEMORIAS Debido a que uno de los objetivos del proyecto es hacer que el

dispositivo funcione de manera autónoma durante la mayor cantidad de tiempo posible, es necesario tener memoria de gran capacidad para lograr esto, teniendo en cuenta que se hacen muestras por sensor 25 veces por segundo, y tenemos 8 sensores por pie. A esta situación le tenemos que agregar que contamos con poco tiempo de procesamiento y almacenamiento de la información por lo que requerimos de memorias con tecnología de almacenamiento flash. En el esquemático se pueden apreciar memoria 1 y memoria 2, con lo que se deduce que cada una de estas corresponde a la información que proviene de cada uno de los pies. Reuniendo las características mencionadas anteriormente y además de esto teniendo en cuenta el factor costo, nos encontramos con una memoria flash Toshiba de 32 MB de capacidad de la serie TC58DVM82A1FT00.

• INTERFAZ USB Para poder realizar comunicación entre el computador y el

dispositivo del paciente mediante el puerto USB, requerimos de un módulo especial de interfaz entre estos dos. Investigando dispositivos que pudieran ofrecernos estos servicios, nos encontramos con uno muy bueno que nos puede emular un puerto serial en el computador a velocidad de USB 1.1 con el software de visualización que estamos utilizando allí. Esto tiene la gran ventaja de poder manejar el protocolo de transmisión tradicional serial a gran velocidad y con mucha facilidad. El chip que nos permite hacer esta tarea es la de empresa FTDI, y la serie que estamos utilizando aquí es FTDI 232BM.

• INTERFAZ CON EL USUARIO Pensando en la sencillez con la que el usuario

pueda llegar a manipular este dispositivo y además consultando con un médico, llegamos a lo siguiente:

Botón de selección de operación Con este, el usuario podrá escoger entre los cuatro modos de operación disponibles (Recepción inalámbrica, Borrar memoria, enviar datos a PC, Calibración alarma). Este se tiene pensado que sea un switch de rotación para poder escoger la operación. Botón aprobar operación Este nos sirve para evitar errores en la selección de la operación, y funciona como una típica tecla de “Enter” en un computador.

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Botón salir de operación Este botón nos permite salir de cualquiera de las operaciones en las que se encuentre el dispositivo para dejarlo en un estado de “Stand By”. Aquí el dispositivo espera una nueva señal del botón de aprobar operación. LEDs de estado del dispositivo Estos LEDs nos sirven para indicarle al usuario distintos estados en los que se encuentre el dispositivo como on/off, estado calibración alarma, borrado memoria, batería baja, …, etc. Por supuesto este tipo de interfaz esta sujeto cambios los cuales son fácilmente modificables en el diseño software del microcontrolador.

• ALIMENTACION Aquí presentaremos y haremos un análisis de los consumos de cada uno de los dispositivos que se utilizarán en el diseño y que ya fueron mencionados anteriormente. Para realizar esto nos basaremos en las tablas que cada uno de los fabricantes nos muestran (estos datos de consumos mostrados por lo fabricantes fueron comprobados experimentalmente por nosotros).

• Receptor RF Linx serie LC

54

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Figura 52

Figura 536

6 Gráfica extraída del datasheet de receptor LINX serie LC. http://www.linxtechnologies.com/index.php?section=products&category=rf_modules&subcategory=lc_series

55

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• Microcontrolador ( Motorota HC08GP32)

Figura 547

• Chip de interfase USB ( FTDI 232BM )

Tabla 198

7 Gráfica extraída del datasheet del microcontrolador Freescale HC908GP32 http://www.freescale.com/webapp/sps/site/taxonomy.jsp?nodeId=0162468449766380558 Gráfica extráida del datasheet del FTDI232BM http://www.ftdichip.com/FTProducts.htm#FT232BM

56

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• Memoria Flash ( TC58DVM82A1FT00 )

• Consumo aproximado de LEDs y otros compnentes Aproximadamente el consumo de los LEDs y otros dispositivos de Interfase con el usuario es de 5mA Ya presentados cada uno de los consumos de cada uno de los dispositivos vale la pena aclarar que la operación de todos los dispositivos utilizados se encuentra en los 3V. Además de esto, hay que aclarar que la fuente de poder que utiliza el chip FTDI en el momento en que se conecta el dispositivo al computador es precisamente la alimentación que nos ofrece el puerto USB, por lo tanto el consumo de este dispositivo queda descartado para nuestro diseño. Haciendo un promedio del consumo de todos los dispositivos funcionando juntos llegamos a que el consumo total del dispositivo de la cintura es de

20mA/Hora

Con lo cual si utilizamos dos pilas en serie de 1.5V cada una las cuales nos ofrecen como mínimo 2000mA/Hora tenemos una duración de nuestro dispositivo de mínimo dos días y medio sin interrupción. Por supuesto aca estamos sujetos a lo que pueda llegar a durar la alimentación del dispositivo que se encuentra en el pie del paciente.

Planos Eléctricos del Dispositivo Ubicado en la Cintura del Paciente A continuación vamos a presentar los planos eléctricos del prototipo el cual puede ser considerado casi como final, ya que una vez superadas las pruebas las modificaciones que habría que hacerle son en realidad pocas.

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Figura 55

Figura 56. Montaje físico circuito ubicado en la cintura.

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2.4. MÓDULO DE VISUALIZACIÓN DE DATOS DE PRESIÓN Se desarrolló un software para la visualización por parte del médico de los datos de presión almacenados en la memoria. El programa permite visualizar los datos de los 16 canales, los 8 de la plantilla izquierda y los 8 de la plantilla derecha por separado y seleccionar la escala de tiempo deseada y el número de datos a visualizar por unidad de tiempo.

Figura 57

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3. COSTOS DE PROTOTIPO CON COMUNICACIÓN INALÁMBRICA

as siguientes tablas muestran los costos del prototipo:

L

Ítem CantidadCosto Unitario

(USD)Costo Pesos

M/CTEMicrocontrolador 1 10.40 24,492.0

Transmisor RF 1 6.90 16,249.5Amplificadores Operacionales

2 1.13 5,322.3

Regulador de Voltaje 1 2.86 6,735.3

Batería 1 9.00 21,195.0

Antena 1 2.08 4,898.4Resistencias, condensadores, otros

1 5 11,775.0

Circuito Impreso 1 NA 40,000.0Subtotal Plantilla

$130,667.5

Costos Electrónica de la Plantilla

Ítem CantidadCosto Unitario

(USD)Costo Pesos

M/CTEMicrocontrolador 2 10.40 48,984.0

Memoria 2 10.83 51,009.3

Batería 1 9.00 21,195.0

Receptor RF 2 13.79 64,950.9

Integrado USB 1 5.80 13,659.0

Cable USB 1 15.00 35,325.0

Antena 2 2.08 9,796.8Resistencias, condensadores, otros 1 6.00 14,130.0

Circuito Impreso 1 NA 45,000.0

Subtotal Cintura $304,050.0

Costos Electrónica de la Cintura

Ítem Cantidad Costo Unitario Subtotal

Electrónica Plantilla 2 $130,667.5 $261,335.0

Electrónica Cintura 1 $304,050.0 $304,050.0

Manufactura Plantilla 2 $30,000.0 $60,000.0

Empaque Cintura 1 $25,000.0 $25,000.0

Costo Total $650,385.0

Costos Totales

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4. CONCLUSIONES

a conclusión mas importante de este trabajo es que fue posible implementar un sistema de monitoreo inalámbrico de presiones plantares en sible, que gracias a su bajo costo, muy posiblemente e ran cantidad de pacientes que

fren de problemas de pie insensible.

demás de haber logrado la implementación del sistema de monitoreo, se logro incluir un specto adicional al diseño que no estaba contemplado entre los objetivos del proyecto, la

ión para hacer todas las actividades necesarias en el odulo de almacenamiento e interfaz con el PC, que son decodificar la señal que llega,

r usado en pacientes reales con problemas de sensibilidad en la planta del pie.

L

pacientes con pie insenstará al alcance de una g

su Aavisualización en tiempo real de la actividad en los ocho puntos de interés donde se realiza la medición de presión para uno de los dos pies, aunque no fue posible llevar a cabo la visualización en tiempo real de los dos pies porque no alcanzan los 8.8 ms mencionados que restan una vez termina la transmismhacer la detección de errores, guardar en memoria flash y enviar de forma seria a una tasa de 57600 bps los datos recibidos de la plantilla al computador para los dos pies, es posible hacerlo para uno solo, pero no para los dos. Otra conclusión que hay que destacar es que se logro un diseño del PCB del sistema de adquisición de datos ubicado en cada plantilla lo suficientemente pequeño como para acomodarse fácilmente en el arco del pie del paciente, gracias a que se siguieron las especificaciones de los dos estudiantes de diseño industrial de la universidad que están trabajando en el diseño de la plantilla para este proyecto, aspecto bastante importante en el diseño de un sistema que tiene intención de sein Finalmente, es importante concluir que se logro elaborar un sistema de calibración de sensores bastante robusto, que nos permitió caracterizar el sensor de efecto piezoresistivo que seleccionamos, que fue de vital importancia para el desarrollo del sistema de monitoreo.

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5. PERSPECTIVAS

Teniendo en cuenta el diseño que se implemento en el sistema de monitoreo para pacientes con pie insensible, las perspectivas que se pueden tener en un futuro son las siguientes:

• Gracias al diseño de bajo del sistema de adquisición, es una buena perspectiva expandir el sistema de adquisición a otras aplicaciones diferentes a monitorear presión en pie insensible con un cambio mínimo del sistema que se tiene para medir otras variables.

ión de tiempo, bidireccional, utilizando elementos tranceivers, en vez de hacerlo por

visando que hubo error en la transmisión.

• faz entre el dispositivo y

•

del pie donde se presentan

• Se puede tener como perspectiva implementar en un futuro la comunicación inalámbrica entre los módulos de adquisición y almacenamiento por multiplexac

multiplexación de frecuencia como ocurre actualmente, sacrificando costo por eficiencia, y abriendo la posibilidad de retransmisión de datos cuando se detecte error, ya que actualmente la detección de errores solo conduce a un almacenamiento de una bandera a

• En cuanto a la parte de la comunicación inalámbrica también se puede pensar en hacer un empaquetamiento de los datos para transmitir a una tasa de 10 KBPS con miras a mejorar el consumo de potencia del sistema y alargar la vida de la batería, teniendo en cuenta que la transmisión no se llevo a cabo a esta tasa debido a que los transmisores de 10 KBPS, cuyo precio de mercado es inferior a los transmisores de 5 KBPS que utilizamos es inferior, se encuentran agotados y serán repuestos hasta Junio o Julio de este año, como anunció la compañía Linx.

• En el momento que sea posible acceder a los transmisores de 10 Kbps, será posible expandir la visualización en tiempo real en software que se tiene para que cubra los dos pies, ya que este aspecto no se logro porque los 8.8 ms que se tienen para hacer todas las actividades en el modulo de almacenamiento e interfaz no alcanzan para cubrir la visualización en tiempo real de los dos pies. En cuanto a la parte software, se puede hacer una mejora bastante sustancial a la primera versión del software encargado de controlar la interel PC. Por ultimo, el sistema de monitoreo diseñado podría tener como perspectiva una futura comercialización para poder llegar a un uso real de usuarios que padecen de pie insensible, como por ejemplo gente con diabetes, con miras a planear el diseño de plantillas ortopédicas que mejoren la irrigación presiones anormales, por encima de los niveles normales.

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